如何防禦小行星
手把手教你
如何防禦小行星？
圖注：DART任務的藝術想象圖
前不久的2021年11月24日，美國NASA藉由SpaceX的獵鷹9號發射了一枚行星防禦測試任務——Double Asteroid Redirection Test (雙小行星重定向測試，DART，飛鏢)。這枚探測器將會通過撞擊一顆小行星，對目標小行星產生大約4毫米每秒的速度改變，影響小行星的軌道。雖然這一改變微小不起眼，但在漫長的軌道週期上，小行星的軌跡將受到深遠的改變。之所以叫雙小行星，是因爲目標小行星是一大一小，相互繞轉的兩顆小行星。
DART作爲一次實驗任務，體型很小，事實上也只是爲了驗證技術的可行性，不能作爲地球緊急防禦的實際手段。試想這樣一種情況——假如真的毫無預警地，一顆小行星即將在大約半個月後撞擊地球，我們要如何防禦它？
圖注：DART飛行器在美國噴氣動力實驗室裡。兩側的兩個“卷軸”是捲起來的太陽能板，需要爲探測器上的“電老虎”——電力推進器供電。可以看出整體是一顆很小的飛行器。
光說不練假把式，今天小編就給大家示範一次“小行星重定向”任務，相信大家看完，都能學會如何拯救地球！
（本次任務全程由小編本人原創，並由四名“坎巴拉星人”，或稱“小綠人”宇航員配合完成。事件全部發生在未知星域的坎巴拉星系，不涉及人類世界現實。）
01
任務簡報
本次，我們的母星遭到威脅！我們監測到，一顆直徑至少12米的D級小行星，即將在約15個恆星日後，徑直撞上這顆美麗的藍色星球！
圖注：這顆小行星編號Ast.PYW-123，一個恆星日後即將進入地球（實際上是小綠人的母星Kerbin）引力範圍，然後在約15恆星日後撞擊地球。如圖可見其預期軌道與地球表面相交。
坎星人的宇航技術暫時領先於地球人，他們已經有過數次成功或失敗的小行星攔截任務經驗。這一次，他們又要站出來，保衛自己的家園！
圖注：在其中一次試圖將小行星軟着陸帶回地球的任務嘗試中，小行星墜毀在航天中心附近，造成了災難性的損失。動圖爲8倍速播放。
02
向目標進發！
航天中心爲確保萬無一失，從四名最優秀的坎星航天員中選出三位，執飛此次任務。任務採用成熟可靠的Ast-Hunter-10飛船（小行星獵手10號），這一飛船在小編的另一個存檔中已經執行了超過10次小行星重定向任務，專門針對C級和D級小行星重定向任務研製。不過這次爲了蹭DART的熱點，我們特地將這艘飛船重命名爲，‘Kerb-Dart’。
圖注：作爲後備隊員的Valentina Kerman目送Jebdiah Kerman，Bob Kerman，Bill Kerman三位勇士升空，並祝福他們好運。
飛船整體爲兩級半結構，大推力的芯一級液態火箭發動機和助推級固體火箭發動機同時點火，將火箭送上高層大氣。
圖注：3，2，1，點火！動圖爲2倍速播放。
隨後高效率（大比推）、小推力的二級核動力液體燃料火箭發動機點火，將飛船送入軌道。
圖注：芯一級與二級（上面級）。注意由於Kerbin這顆行星的第一宇宙速度遠小於真實的地球（只有約1/3），火箭入軌難度非常低，因此火箭幹質比可以很高。
二級發動機同時提供飛船上面級的推力。爲提高火箭效率，降低死重，有三個用完即拋的燃料罐掛在飛船末尾。
圖注：飛船成功入軌，展開太陽能板、天線、熱控單元，以及最重要的RGB燈光（據傳可以提升小綠人的工作效率）
進入低-地球軌道（LEO）後，飛船就需要籌劃如何捕捉到目標小行星——實際上就是策劃一次與小行星的交會對接，而交會對接的本質，就是使兩個飛行器在某一時刻，其軌道高度、離心率、傾角、輻角、升降交點經度、速度等完全一致，或者說相空間座標（三維位置，三維速度）完全一致。
圖注：正在擡高軌道高點的Kerb-Dart飛船。擡高軌道高點最省燃料的方式是在軌道低點順向切向加速，這是奧伯特效應的運用。左上角，遠方的月球（遊戲中稱爲Mun）遙遙可見。
首先，我們需要擡高飛船軌道高點，以使其與小行星軌道相交，然後在這一交點上匹配二者的軌道傾角，以消除二者的軌道平面法向速度差異。
圖注：首先調節傾角。在此之前擡高軌道高點（遠地點）的目的是節約調節傾角所需的燃料。這是一個機械能守恆和動量守恆相互影響的經典問題，運用高中物理，相信一想就明白了。
在這個過程中，耗盡燃料的燃料罐將會被拋出。
完美匹配的軌道傾角，使得飛船與目標天體的軌道平面重合，這將極大方便我們規劃交會對接的過程。但我們依舊需要尋找最恰當的交會時機。通過調節飛船的軌道週期，使得目標天體在撞上地球之前，先與飛船交會。我們只有一次機會。
圖注：經過精心規劃，我們得以在小行星撞地球之前一個恆星日，先攔截到小行星。
規劃好的交會軌道並不足夠精確，在這一交會準備軌道上，Kerb-Dart還需要進行一次軌道修正，來使得二者交會的最近距離小於100米。這還沒完！在交會點上，二者還會有約130米每秒的速度差，需要在飛船抵近小行星的時候，再在1分鐘之內完全消除。
圖注：飛船正在進近小行星，並剎車，消除二者間的相對速度。在這一瞬間，飛船和小行星的軌道幾乎重合——都是直奔地球撞去的。4倍速播放。
當二者足夠靠近，Kerb-Dart飛船就可以展開抓娃娃機爪子小行星捕獲裝置，以小行星的質心爲目標，緩緩靠近並捕獲了。
圖注：我小心翼翼地接近，怕小行星在夢中驚醒。一旦翻滾起來，就危險了。
捕獲之後，還要進一步調節小行星質心、飛船質心和飛船的推力矢量基本在一條直線上，不然飛船發動機工作時，將會產生非常大的翻滾力矩，導致失控。
03
化敵爲友，接待深空來客
這顆小行星帶着紫色的紋路，看起來很神秘，也許隱藏了宇宙深處的秘密。但現在可沒有時間深入研究——還有一個恆星日，我們就要撞上地球了！當務之急是立刻着手改變小行星的軌道。
圖注：編號Ast.PYW-123的小行星經初步測量，重達270.624公噸。飛船搭載的6架核動力推進器顯得很無力，只能提供1米每二次方秒的加速度。但這也比地球人的DART強多了。一秒的量就勝過DART一輩子的量200多倍。
一番努力，主要通過軌道切向順向加速，現在飛船和小行星的組合體的近地點成功被擡高到大氣層之外。至少這次，小行星將不會撞上地球了。小行星和飛船如果沿着當前的軌道繼續飛行，將會離開地球的引力範圍，再次回到茫茫的深空當中去，不知何時才能再見。
圖注：小綠人的地球Kerbin的大氣層高度70千米，這次小行星將會擦着Kerbin的頭皮掠過。
但我們前面也說了，這顆星球蘊含着來自深空的秘密，我們不可能一拋了之，必然要進行深入的研究。如果將這顆小行星停泊在地球軌道上，可能隨時還會有危險發生——這個時候，月球正是個好地方——不怕被撞，距離地球又不算太遠。小綠人們決定把這顆小行星帶到月球軌道上安置。
圖注：正在規劃前往月球的軌道
正好，月球也十分配合，其軌道相位恰好可以在我們這條軌道即將離開地球引力範圍之前與我們相遇。只需要花費很少的燃料，我們就可以籌劃一次月球的飛掠，然後順勢被月球捕獲。
圖注：被月球捕獲後，在月球軌道低點（近月點）執行動力剎車（發動機反推減速）。最終，我們進入了一條月球逆向傾斜橢圓軌道。後來調整爲月球赤道逆向橢圓軌道。
也許未來，我們會通過對這顆小行星的研究，獲益良多。
圖注：比如在地球上建一個小行星陳列館或者在月球建一個“小土豆”科研空間站什麼的。
04
回家，回家！
至此，地球已經徹底擺脫了本次小行星的威脅，珍貴的天外來客也被保存在了月球軌道上。三位英雄是時候回家了。但Kerb-Dart飛船本身不具備地球大氣層再入的能力，我們需要派Valentina去接他們回家！
由於低碳節能的號召，以及危機解除後部分合作夥伴違約不再提供資金支持、小編想要炫技等不便透露的原因，這次我們要採用充滿科幻感的單級入軌（SSTO）空天飛機執行這次人員運輸任務。
圖注：起飛-1倍音速-2倍音速-3倍音速！火花帶閃電。
這架空天飛機名爲Dart，飛鏢，是小編用10分鐘隨便搭起來的。大氣層內的主力引擎是目前還只存在於地球各國航天部門實驗室裡的“變循環發動機”，真空中的主力引擎則是Kerb-Dart同款的核動力引擎。不僅可以單級入軌，甚至燃料足可以去月球轉一圈再回來。這得益於變循環發動機和核動力發動機的雙重省油套餐。
圖注：大氣層內變循環發動機類似於噴氣式發動機，吸氣並燃燒。在真空環境，變循環發動機缺氧，進入內循環，變爲火箭發動機。飛機攜帶的氧化劑耗盡，火箭發動機熄火，核動力發動機接力將飛機送入地球軌道。
圖注：規劃一條阿波羅計劃同款的8字形逆向月球轉移軌道。
圖注：飛向月球
圖注：與Kerb-Dart對接，變爲Kerb-Dart-Dart組合體。4倍速播放。
四名宇航員團聚在月球的天空上，激動感慨自不必說。他們快速完成了對小行星的測量和採樣，以及最關鍵的——合影工作。
身邊是飛船和漸漸揭開神秘面紗的天外來客，身後是散發銀白光芒，但又坑坑窪窪有點醜的月球，四名宇航員看着遠方漸漸升起的地球和太陽，他們意識到——該回家了。
他們坐上空天飛機，原路返回，一路火花帶閃電。
圖注：空天飛機於清晨再入大氣層。高溫等離子體形成一層熾紅的帷帳，包裹機身。太陽從家的方向升起來。
哦，家，溫暖的家，我們再一次保護了你。
圖注：出野外結束，必須得合個影，以證明本次視頻和文案創作過程中，沒有小綠人受到傷害。
所以怎麼樣
你學會如何從小行星的威脅中拯救地球了嗎？
一點花絮：
圖注：由於再入落點距離跑道太近，降落時沒能對準跑道，但又不想復飛，於是在草地上迫降了，實在是有點顛簸哈哈。
編輯：萬鵬
美編：許宏璽
校對：劉淇郡